列車自動(dòng)化運(yùn)行故障時(shí)的人機(jī)協(xié)作潛力

1研究背景

鐵路運(yùn)輸自動(dòng)化進(jìn)程始于數(shù)十年前。列車運(yùn)行自動(dòng)化主要指駕駛功能的自動(dòng)化，如今已經(jīng)通過(guò)連續(xù)式列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（LZB）和自動(dòng)駕駛與制動(dòng)控制系統(tǒng)（AFB）實(shí)現(xiàn)。

近幾年來(lái)，在歐洲范圍內(nèi)開展了一系列以歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）為基礎(chǔ)的列車半自動(dòng)運(yùn)行測(cè)試，即列車運(yùn)行自動(dòng)化等級(jí)2級(jí)（GoA 2）測(cè)試。測(cè)試中，列車駕駛員的任務(wù)是在駕駛室中監(jiān)視行車路線，并隨時(shí)對(duì)列車的牽引和制動(dòng)控制進(jìn)行干預(yù)，但無(wú)需對(duì)運(yùn)行程序進(jìn)行任何重大改變。而在 GoA 4（自動(dòng)化最高等級(jí)，即全自動(dòng)運(yùn)行）中無(wú)需駕駛員操作。這依托于包含新功能和新組件的新型系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)。GoA 4的新組件除了現(xiàn)有駕駛技能外，還將具有人類的某些能力，如感知、認(rèn)知和交流能力，具體如下。

（1） 感知能力是指監(jiān)控行車線路和識(shí)別危險(xiǎn)的能力，通過(guò)感知組件（即傳感器）實(shí)現(xiàn)。

（2） 認(rèn)知能力是指數(shù)據(jù)分析、計(jì)劃和決策能力，通過(guò)認(rèn)知組件實(shí)現(xiàn)。認(rèn)知組件的功能有：①分析傳感器收集的數(shù)據(jù)，從而識(shí)別自動(dòng)運(yùn)行車輛在建筑接近限界中的當(dāng)前位置;②對(duì)行駛環(huán)境中的重要元素進(jìn)行分類和定位。

（3） 交流能力是指與相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)（主要指控制中心）進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)交換的能力，通過(guò)通信組件實(shí)現(xiàn)。

由于這些能力所需的部分組件目前尚未成功開發(fā)，因此難以估算預(yù)期成本。

在列車自動(dòng)化運(yùn)行中，鑒于技術(shù)故障不可避免，因此必須通過(guò)冗余和故障后備方案來(lái)確保設(shè)備的可用性。GoA 4的故障后備方案之一是，當(dāng)列車發(fā)生故障時(shí)，控制中心操作員遠(yuǎn)程接管控制。這種方案必須以設(shè)備（如列車上的傳感器）的高可用性以及通信的低延遲性為基礎(chǔ)（這2點(diǎn)通過(guò)冗余實(shí)現(xiàn)）。因此，若列車在全自動(dòng)運(yùn)行中出現(xiàn)因通訊故障而停車的情況，就必須讓專人登車接管控制，但由于登車人員與列車的距離不確定，所以登車時(shí)間也不確定，這將嚴(yán)重影響鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的可用性。

為了實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)有效的列車運(yùn)營(yíng)，可以考慮采用GoA 3。采用GoA 3時(shí)，列車上至少有1名列車員，他負(fù)責(zé)處理緊急情況以及操作車門。通過(guò)讓列車員參與故障后備方案，可以不安裝GoA 4所需的某些組件。因此，本文將重點(diǎn)研究GoA 3在故障情況下的適用性。故障情況下，列車員干預(yù)列車運(yùn)行時(shí)需要與控制中心操作員、車站值班員、調(diào)度員等相關(guān)工作人員協(xié)作，在某些情況下甚至需要與機(jī)器合作，所以本文的目的是描述GoA 3故障后備方案中可能的人機(jī)協(xié)作方式，并從技術(shù)和人員成本及對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響方面對(duì)其進(jìn)行比較。

2 列車自動(dòng)化運(yùn)行故障后備方案中的人機(jī)協(xié)作

鐵路交通是多人（如駕駛員、車站值班員、調(diào)度員）根據(jù)操作程序?qū)α熊囘\(yùn)行進(jìn)行外部控制的系統(tǒng)。每個(gè)參與者都有特定的職責(zé)和一個(gè)共同目標(biāo)，即保障鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。在自動(dòng)化運(yùn)行中，機(jī)器也通過(guò)承擔(dān)任務(wù)為實(shí)現(xiàn)上述共同目標(biāo)出力。協(xié)作是指人與人之間有目的的互動(dòng)，因此鐵路交通中人與機(jī)器之間為達(dá)到共同目標(biāo)的互動(dòng)與合作也可以稱為人機(jī)協(xié)作。

人機(jī)協(xié)作可以用人類信息處理的4階段模型來(lái)描述。該模型描述了人類信息處理的4個(gè)任務(wù)，即信息收集、情況分析、決策和執(zhí)行。這4個(gè)任務(wù)之間是相互依存、相繼執(zhí)行的關(guān)系。

圖1顯示了故障后備方案中人機(jī)交互的階段。階段1

為請(qǐng)求接管或連接階段，在此階段，自動(dòng)化系統(tǒng)檢測(cè)到列車故障，向人發(fā)出接管請(qǐng)求。階段2為人機(jī)協(xié)作階段，此階段包含上述人類信息處理的4個(gè)任務(wù)，圖中使用滑塊描述故障后備方案中人機(jī)之間的任務(wù)分配。階段3為從故障后備方案過(guò)渡到正常運(yùn)行階段，在此階段，人在保證列車安全運(yùn)行的前提下，將列車運(yùn)行控制權(quán)重新交還給機(jī)器。

圖1中人機(jī)交互的自動(dòng)化等級(jí)可高可低。自動(dòng)化程度由分配給列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）任務(wù)的多少?zèng)Q定。如果所有4個(gè)任務(wù)都實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化，則自動(dòng)化等級(jí)為最高;相反，如果任務(wù)完全由人接管，則自動(dòng)化等級(jí)最低。正如研究背景中所提到的，經(jīng)濟(jì)原因阻礙了前者的發(fā)展。因此，在分配自動(dòng)化運(yùn)行中涉及的任務(wù)時(shí)，應(yīng)將人類智能的靈活性與機(jī)器智能的速度相結(jié)合，以期獲得最大的運(yùn)行收益。

3 故障后備方案中的人機(jī)協(xié)作方式

在未來(lái)，車站值班員將繼續(xù)負(fù)責(zé)列車運(yùn)行的安全，調(diào)度員將繼續(xù)確保列車運(yùn)行過(guò)程的平穩(wěn)順暢，駕駛員將從列車駕駛室轉(zhuǎn)移到控制中心，列車員將負(fù)責(zé)在列車故障后、啟用后備方案時(shí)與機(jī)器一起參與和執(zhí)行列車的控制。由于故障后備方案的參與者眾多，因此協(xié)作方式也多種多樣。協(xié)作方式的選擇取決于故障的類型以及采用故障后備方案繼續(xù)控制列車所需的系統(tǒng)元件。由于ATO系統(tǒng)、ETCS系統(tǒng)以及通信鏈路會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)管理起決定性作用，因此其可用性對(duì)于協(xié)作方式的選擇至關(guān)重要。根據(jù)系統(tǒng)元件的可用性以及對(duì)于各個(gè)參與者操作權(quán)限有限的假設(shè)（例如不允許調(diào)度員獨(dú)立控制列車），故障后備方案中的協(xié)作基本上可以通過(guò)6種方式實(shí)現(xiàn)，其中方式3和方式5可各分為3個(gè)子項(xiàng)，如圖2 所示。

當(dāng)然，上述6種方式是在以下3個(gè)假設(shè)的前提下得出的：①車輛控制系統(tǒng)（如牽引和制動(dòng)控制系統(tǒng)）在所有情況下都正常工作;②至少有1名列車員可參與后備方案的實(shí)施;③ATO系統(tǒng)、ETCS系統(tǒng)和通信鏈路3個(gè)系統(tǒng)元件不會(huì)同時(shí)不可用。表1顯示了6種方式中系統(tǒng)元件可用或不可用的情況。

在列車與控制中心之間存在通信連接的所有情況下，控制中心操作員都將與機(jī)器及列車員協(xié)作，積極參與故障后備方案的實(shí)施。在有列車員參與的所有方式中，都遵循一個(gè)假設(shè)，即列車員會(huì)以及時(shí)且安全的方式參與故障后備方案的實(shí)施過(guò)程。下面將簡(jiǎn)要介紹這6種方式。

3.1 方式 1：傳統(tǒng)的人-人協(xié)作

傳統(tǒng)的人-人協(xié)作是指控制中心操作員與車上列車員之間的協(xié)作。在這種方式中，ETCS系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)不可用，只有列車與控制中心之間的通信鏈路可用。由控制中心操作員發(fā)出操作指令，列車員負(fù)責(zé)信息收集及車輛現(xiàn)場(chǎng)情況分析。列車員將情況分析的結(jié)果報(bào)告給控制中心操作員，然后由操作員與車站值班員一起決定采取下一步的措施。操作指令由列車員手動(dòng)執(zhí)行，例如操作牽引桿或制動(dòng)桿。

3.2 方式 2：采用 ETCS 系統(tǒng)、無(wú)需 ATO 系統(tǒng)的列車員自主駕駛

該方式是列車員與ETCS系統(tǒng)的直接協(xié)作，沒有控制中心人員的參與。列車員負(fù)責(zé)車輛現(xiàn)場(chǎng)情況分析，以及根據(jù)操作程序決定下一步應(yīng)采取的措施;而ETCS系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集信息并操控車輛控制系統(tǒng)。

3.3 方式 3：有控制中心操作員參與、無(wú)需 ATO 系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)作

3.3.1 方式 3 a：控制中心操作員遠(yuǎn)程控制

此方式中，控制中心操作員會(huì)與車輛上的ETCS系統(tǒng)協(xié)作。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，ETCS系統(tǒng)會(huì)請(qǐng)求控制中心操作員接管對(duì)列車的控制。接管和遠(yuǎn)程控制通過(guò)無(wú)線電實(shí)現(xiàn)。車輛信息的收集通過(guò)車輛上安裝的、可用性高的傳感器實(shí)現(xiàn)。控制中心操作員還可以從調(diào)度員或車站值班員處獲取更多必要信息。后續(xù)流程由控制中心操作員執(zhí)行。此種協(xié)作方式可用于GoA 3和GoA 4。

3.3.2 方式 3 b：借助列車員信息反饋的遠(yuǎn)程控制

此方式與方式3a相似。不同的是，列車員也參與了故障后備方案的實(shí)施。這種情況下，控制中心操作員負(fù)責(zé)控制ETCS系統(tǒng)，他有2個(gè)信息源：①列車員，負(fù)責(zé)提供視覺信息;②ETCS系統(tǒng)，負(fù)責(zé)提供列車實(shí)時(shí)速度、位置等其他重要數(shù)據(jù)。列車員在控制中心操作員進(jìn)行情況分析和決策時(shí)起輔助作用。

3.3.3 方式 3 c：人-人-機(jī)器協(xié)作

方式3c與方式3a、3b的不同點(diǎn)在于：列車員在后備方案中要承擔(dān)更多的任務(wù)。控制中心操作員不再直接控制ETCS系統(tǒng)，而是向列車員提供關(guān)于ETCS系統(tǒng)的控制指導(dǎo)。由于信息收集和現(xiàn)場(chǎng)情況分析由列車員負(fù)責(zé)，因此列車上不需安裝可用性高的傳感器。列車員將情況分析的結(jié)果報(bào)告給控制中心操作員，然后由操作員與車站值班員一起決定采取下一步的措施。

3.4 方式 4：采用 ATO 系統(tǒng)，無(wú)需 ETCS 系統(tǒng)的列車員自主駕駛

此方式與方式2相似。不同點(diǎn)在于，此方式中ATO系統(tǒng)可用，而ETCS系統(tǒng)不可用。ATO系統(tǒng)可以通過(guò)加工海量數(shù)據(jù)來(lái)分析現(xiàn)場(chǎng)情況。

3.5 方式 5：有控制中心操作員參與、無(wú)需 ETCS 系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)作

3.5.1 方式 5 a：控制中心操作員遠(yuǎn)程控制

此方式中，控制中心操作員會(huì)與車輛上的ATO系統(tǒng)協(xié)作。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，ATO系統(tǒng)會(huì)請(qǐng)求控制中心操作員接管對(duì)列車的控制。接管和遠(yuǎn)程控制通過(guò)無(wú)線電實(shí)現(xiàn)。車輛信息的收集通過(guò)車輛上安裝的、可用性高的傳感器實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)的流程與方式3a相同。此種協(xié)作方式可用于GoA 3和GoA 4。

3.5.2 方式 5 b：借助列車員信息反饋的遠(yuǎn)程控制

此方式中，列車員會(huì)參與故障后備方案的實(shí)施，并與控制中心操作員和ATO系統(tǒng)協(xié)作。控制中心操作員負(fù)責(zé)控制ATO系統(tǒng)，列車員負(fù)責(zé)為控制中心操作員提供視覺信息。ATO系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)加工海量數(shù)據(jù)來(lái)分析現(xiàn)場(chǎng)情況。

3.5.3 方式 5 c：人-人-機(jī)器協(xié)作

此方式中，由列車員負(fù)責(zé)控制ATO系統(tǒng)。控制中心操作員將向其提供必要的指導(dǎo)。由于信息收集和現(xiàn)場(chǎng)情況分析由列車員負(fù)責(zé)，因此車上不需安裝可用性高的傳感器。列車員還要將情況分析結(jié)果報(bào)告給控制中心操作員。

3.6 方式 6：同時(shí)采用 ETCS 系統(tǒng)和 ATO 系統(tǒng)的列車員自主駕駛

在此方式中，由ETCS和ATO系統(tǒng)操控列車，列車員從旁輔助，并可隨時(shí)干預(yù)。ATO系統(tǒng)的任務(wù)與方式4中相同，即通過(guò)加工海量數(shù)據(jù)來(lái)分析現(xiàn)場(chǎng)情況。ETCS系統(tǒng)的任務(wù)是監(jiān)控，在危及列車安全的情況下（如列車超速）進(jìn)行干預(yù)，實(shí)施制動(dòng)。而列車員與方式2中一樣具有采取下一步措施的決定權(quán)。

總之，當(dāng)通信鏈路故障時(shí)，可采用方式2、方式4和方式6;若列車與控制中心的通信鏈路正常，協(xié)作方式的選擇則取決于ETCS和ATO系統(tǒng)的可用性。由于車上的列車員和控制中心操作員都可用，因此方式3和方式5還可以通過(guò)不同的形式實(shí)現(xiàn)。

4 協(xié)作方式 3 和方式 5 的定性評(píng)估

協(xié)作方式3和方式5是基于可用的通信連接以及控制中心操作員的參與而實(shí)現(xiàn)的，本節(jié)僅以它們作為評(píng)估對(duì)象。采用的評(píng)估方法是Pugh矩陣。Pugh矩陣適用于將多個(gè)概念與基本概念進(jìn)行比較，從而對(duì)其進(jìn)行定性評(píng)估。此處設(shè)定的基本概念是具有自動(dòng)駕駛功能的GoA2、正常運(yùn)行的ETCS 2級(jí)系統(tǒng)，以及目前操作程序的故障后備方案。

要對(duì)上述方式進(jìn)行評(píng)估，需要首先根據(jù)基本概念定義和評(píng)價(jià)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。基本概念是用作參考的，在所有評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中都將其賦值為“0”。如果某一協(xié)作方式對(duì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的符合程度比基本概念高，則其評(píng)估值為“1”;如果與基本概念相同，則為“0”;如果低于基本概念，則為“-1”。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)有2條，具體如下。

（1）經(jīng)濟(jì)支出。此評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)包括為實(shí)施協(xié)作方案而進(jìn)行必要技術(shù)升級(jí)的支出，以及對(duì)列車員進(jìn)行培訓(xùn)和繼續(xù)教育所需的支出。其中，技術(shù)升級(jí)包括實(shí)現(xiàn)ATO或ETCS系統(tǒng)分析和決策的智能化，實(shí)現(xiàn)ETCS系統(tǒng)的牽引控制功能，以及安裝用于信息收集的高可用性硬件元件（傳感器）。

（2）運(yùn)行效果（時(shí)間耗費(fèi)）。此評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)包含2個(gè)部分：①列車員參與故障后備方案所需的時(shí)間;②人員退出故障后備方案的時(shí)間。

在經(jīng)濟(jì)支出方面，方式3a和方式5a中由于列車上沒有人員參與到后備方案中，因此需要實(shí)現(xiàn)ETCS或ATO系統(tǒng)分析和決策的智能化。此外，為確保ETCS或ATO系統(tǒng)的良好分析能力，需要安裝可用性高且可靠的傳感器，以收集現(xiàn)場(chǎng)信息。因此，這2種方式對(duì)技術(shù)的要求很高，也導(dǎo)致其成本高;其優(yōu)點(diǎn)在于不需要對(duì)列車員進(jìn)行培訓(xùn)和繼續(xù)教育。相反，方式3b和方式5b在經(jīng)濟(jì)上有優(yōu)勢(shì)，原因在于：①列車員僅負(fù)責(zé)為控制中心操作員提供視覺信息，即使沒有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)或繼續(xù)教育也應(yīng)具有這種能力，因此列車員的培訓(xùn)和繼續(xù)教育費(fèi)用較低;②控制中心操作員所需的視覺信息由列車員提供，因此不需要安裝可用性高的傳感器;③列車由控制中心操作員控制，因此不必實(shí)現(xiàn)ETCS或ATO系統(tǒng)的分析和決策智能化。方式3c和方式5c需要人員培訓(xùn)方面的花費(fèi)。由于列車員需要與調(diào)度員和ETCS/ATO系統(tǒng)協(xié)作，因此需要對(duì)其進(jìn)行培訓(xùn)，使其能夠在故障后備方案中支持甚至完全取代控制中心操作員。此外，列車員對(duì)ETCS和ATO系統(tǒng)不熟悉，也使實(shí)現(xiàn)這2種系統(tǒng)的分析和決策智能化成為必要。如果故障后備方案（方式3a～c）中ATO系統(tǒng)不可用，則必須擴(kuò)展ETCS系統(tǒng)的牽引控制功能。

在運(yùn)行效果方面，方式3a和方式5a，由于控制中心與車載ETCS/ATO系統(tǒng)的無(wú)線電連接速度快，遠(yuǎn)程控制效率高，且無(wú)需列車員參與，從而使運(yùn)行程序的延遲少，因此其運(yùn)行效果被整體評(píng)估為“1”。其中，由于控制中心操作員與車站值班員之間需要進(jìn)行通信，因此人員參與時(shí)間的評(píng)估值為“0”;由于這2種方式中沒有列車員的參與，也無(wú)需退出，因此人員退出故障后備方案時(shí)間的評(píng)估值為“1”。其他4種方式都需要列車員參與，他們?cè)谶^(guò)渡到正常運(yùn)行時(shí)（階段3）必須退出。在退出故障后備方案的過(guò)程中，列車員要花費(fèi)一定的時(shí)間輸入ETCS或ATO系統(tǒng)正常運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，這意味著故障后備方案（階段1～3）總體上可能會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。如果列車員僅在控制中心操作員收集信息、分析情況和做出決策的過(guò)程中起輔助作用，則其退出故障后備方案的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)，因?yàn)樗恢苯优c系統(tǒng)進(jìn)行交互，故障排除后可以迅速回到原來(lái)的工作中。

通常，人的操作容易出錯(cuò)，尤其是在操作復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)。每種方案應(yīng)至少具有與目前相同的安全級(jí)別，這是必須遵循的前提。在直接與ETCS/ATO系統(tǒng)或列車控制系統(tǒng)進(jìn)行交互的方式中，由于列車員不僅需要了解現(xiàn)場(chǎng)情況，而且要掌握系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)，因此應(yīng)接受相應(yīng)的培訓(xùn)或繼續(xù)教育。在信息獲取、情況分析和決策等領(lǐng)域，使列車員成為控制中心操作員的支持者，可以實(shí)現(xiàn)更高的安全增益。

5 總結(jié)和展望

本文揭示了列車自動(dòng)化運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)人機(jī)協(xié)作的潛力。為了確保列車高效穩(wěn)定地運(yùn)行，隨著自動(dòng)化程度的提高，應(yīng)更多地考慮人的因素。在故障后備方案中，列車上人員的參與可以減少對(duì)所需組件的智能化要求，并且能夠以較低的成本確保列車可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。本文為GoA 3設(shè)計(jì)出6種協(xié)作方式。協(xié)作方式的選擇取決于故障的類型以及采用故障后備方案繼續(xù)控制列車所需要的系統(tǒng)元件。如果ETCS和ATO系統(tǒng)同時(shí)故障，則采用方式1。由于列車系統(tǒng)需滿足可靠性和可用性要求，所以2個(gè)系統(tǒng)同時(shí)發(fā)生故障的可能性非常低。事實(shí)上，更可能發(fā)生的是列車與控制中心之間的通信鏈路故障。此時(shí)可采用方式2、方式4和方式6。對(duì)方式3和方式5的定性評(píng)估表明，方式5b是最好的協(xié)作方式，因?yàn)榱熊噯T可以在認(rèn)知方面輔助控制中心操作員。如果ATO系統(tǒng)不可用，則適合采用方式3b。

參考文獻(xiàn)

[1]Bilal ?yümez. Potenziale einer Mensch-Maschine Kooperation bei St?rungen im automatisierten Betrieb[J]. Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（10）：18-24.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2019-01-05